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中华实验和临床感染病杂志(电子版)

中华实验和临床感染病杂志(电子版) ›› 2021, Vol. 15 ›› Issue (06) : 409 -418. doi: 10.3877/cma.j.issn.1674-1358.2021.06.008

论著

艰难梭菌耐药基因、毒力基因分布与核心基因的功能特征
岳靖林1, 滑明溪2, 段昂2, 杜鹏程2, 霍成3, 陈晨1,†()   
  1. 1. 100015　北京，北京大学地坛医院教学医院传染病研究所
    2. 100015　北京，首都医科大学附属北京地坛医院传染病研究所
    3. 037001　大同市，山西国药同煤总医院病理科
  • 收稿日期:2021-02-27 出版日期:2021-12-15
  • 通信作者: 陈晨
  • 基金资助:
    国家重点研发计划(No. 2018YFE0192500)

Characteristics of antimicrobial resistance genes, virulence genes and core genes of Clostridium difficile

Jinglin Yue1, Mingxi Hua2, Ang Duan2, Pengcheng Du2, Cheng Huo3, Chen Chen1,†()   

  1. 1. Institute of Infectious Diseases, Peking University Ditan Teaching Hospital, Beijing 100015, China
    2. Institute of Infectious Diseases, Beijing Ditan Hospital, Capital Medical University, Beijing 100015, China
    3. Pathology Department, Sinopharm Tongmei General Hosptial, Datong 037001, China
  • Received:2021-02-27 Published:2021-12-15
  • Corresponding author: Chen Chen
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引用本文：

岳靖林, 滑明溪, 段昂, 杜鹏程, 霍成, 陈晨. 艰难梭菌耐药基因、毒力基因分布与核心基因的功能特征[J]. 中华实验和临床感染病杂志(电子版), 2021, 15(06): 409-418.

Jinglin Yue, Mingxi Hua, Ang Duan, Pengcheng Du, Cheng Huo, Chen Chen. Characteristics of antimicrobial resistance genes, virulence genes and core genes of Clostridium difficile[J]. Chinese Journal of Experimental and Clinical Infectious Diseases(Electronic Edition), 2021, 15(06): 409-418.

目的

分析艰难梭菌基因组中耐药基因、毒力基因和核心基因的分布，明确该菌耐药和毒力的分子特征。

方法

采用Prokka和FastTree等软件分析已公布的艰难梭菌2 455个基因组的核心基因和系统发生树，并进一步采用Abricate软件和自主开发的软件解析不同核心基因组和分子分型对应的耐药基因和毒力基因的分布特征，明确耐药基因、毒力基因与基因组型的关系。

结果

基于基因组学特征，Clade Ⅳ为新发现的进化分支，Clade C-Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ发现了新的分子分型，万古霉素耐药性的发生具有进化聚集性，临床高毒菌株的基因组分布日益广泛。核心基因组比较分析表明Clade 5中细胞运动性相关基因占比最小。

结论

通过分析已发表的艰难梭菌基因组序列，描绘该菌耐药基因、毒力基因的进化聚集性、广泛性和核心基因的功能特异性，有助于对该菌的院内传播和流行病学进行研究，为改进临床治疗策略提供更多依据。

关键词: 艰难梭菌, 耐药基因, 毒力基因, 核心基因
Objective

To investigate the distribution of antibiotic resistance genes, virulence genes and core genes in Clostridium difficile (C. difficile) genomes, and to identify the molecular characteristics of antimicrobial resistance and virulence of C. difficile.

Methods

The core genes and phylogenetic tree of 2 455 C. difficile genomes were analyzed by Prokka and FastTree software. Abricate software and self-developed software were furtherly used to analyze the distribution characteristics of antibiotic resistance genes and virulence genes corresponding to different core genomes and molecular types, so as to clarify the relationship between drug resistance genes, virulence genes and genotype.

Results

Based on genomic characteristics, Clade Ⅳ is a newly discovered evolutionary branch. New molecular typings were found in Clade C-Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ, and the occurrence of vancomycin resistance showed evolutionary aggregation. The genomes of clinical strains with high virulence were widely distributed. The comparative analysis of the core genomes showed that the proportion of cell motility related genes in Clade 5 was the smallest.

Conclusions

By analyzing the published genome sequences of C. difficile, the distributive characteristics of antimicrobial resistance genes, virulence genes and core genes were described, which could provide more basis for better understanding of the bacterium and improvement of clinical treatment strategies.

Key words: Clostridium difficile, Antimicrobial resistance gene, Virulence gene, Core gene
表1 艰难梭菌（2 455个）基因组的ST分型分布
Index ST 基因组数量 比例（%）
1 1 328 13.4
2 2 221 9.0
3 37 165 6.7
4 8 161 6.6
5 11 146 5.9
6 3 135 5.5
7 42 131 5.3
8 15 113 4.6
9 17 101 4.1
10 6 48 2.0
11 14 48 2.0
12 未知 47 1.9
13 10 38 1.5
14 54 38 1.5
15 26 37 1.5
16 55 37 1.5
17 其他 661 26.9
图1 基于151个分子分型的艰难梭菌基因组进化及耐药基因、毒力基因的分布
表2 艰难梭菌Clade-C菌株的序列型及等位基因谱
ST adk atpA dxr glyA recA sodA tpi Clade 参考文献/研究
177 13 18 22 33 18 31 28 C-Ⅰ [13]
206 13 18 22 40 18 38 32 C-Ⅰ [13]
335 13 17 22 33 18 31 51 C-Ⅰ [12]
360 13 18 22 33 18 31 26 C-Ⅰ 本研究
641 13 46 22 33 18 31 26 C-Ⅰ 本研究
200 15 21 28 38 21 36 30 C-Ⅱ [13]/本研究
337 25 21 38 53 21 36 53 C-Ⅱ [12]
338 25 21 38 53 21 48 53 C-Ⅱ [12]
600 53 21 58 87 48 36 30 C-Ⅱ 本研究
204 16 23 29 39 23 37 33 C-Ⅲ [13]
336 24 36 37 54 31 49 50 C-Ⅲ [12]
341 26 35 39 52 31 49 52 C-Ⅲ [12]
345 27 37 39 55 31 49 54 C-Ⅲ [12]
347 28 39 41 57 30 50 56 C-Ⅲ [12]
361 30 41 43 59 34 53 58 C-Ⅲ 本研究
669 58 49 62 69 37 52 64 C-Ⅳ 本研究
表3 艰难梭菌151个基因组中识别的耐药基因及其耐药谱
耐药基因 分子分型数量 比例（%） 进化枝 抗菌药物
AAC（6’）-Ⅰe-APH（2’’）-Ⅰa 5 3.3 Clade 1/4/5 氨基糖苷类
aad9 1 0.7 Clade 5 氨基糖苷类
aadE 5 3.3 Clade 1/4/5 链霉素
ant（6）-Ⅰa 2 1.3 Clade 2/5 链霉素
aph（2’’）-Ⅰf 3 2.0 Clade 1/2 阿米卡星/庆大霉素/卡那霉素/短霉素
aph（3’）-Ⅲa 2 1.3 Clade 2/5 阿米卡星/卡那霉素
blaCDD-1 83 55.0 Clade 1/2/3/4/5/C-Ⅱ β-内酰胺
blaCDD-2 65 43.0 Clade 1/2/4/C-Ⅰ/C-Ⅲ/C-IV β-内酰胺
cdeA 149 98.7 Clade 1/2/3/4/5/C-Ⅰ/C-Ⅱ/C-Ⅲ/C-Ⅳ 四环素/吖啶酮类/氟喹诺酮类/甘氨酰环素
cfr（B） 0 0.0 - 大环内酯/林肯（酰）胺/链阳霉素
cfr（C）_2 2 1.3 Clade 1 氯霉素/氟苯尼考/克林霉素/林肯霉素/利奈唑胺/达福普丁/普那霉素/维及霉素/泰妙菌素
dfrF 0 0.0 - 甲氧苄氨嘧啶
erm（B）_18 13 8.6 Clade 1/2/4/5 红霉素/林肯霉素/克林霉素/奎奴普丁/普那霉素/维及霉素
sat4 2 1.3 Clade 2/5 链丝菌素
spw 0 0.0 - 氨基糖苷类
tet（40） 1 0.7 Clade 5 四环素
tet（M） 14 9.3 Clade 1/2/4/5 四环素
tetM 5 3.3 Clade 1/4/5 四环素
vanG-Cd 107 70.9 Clade 1/2/4/C-Ⅰ/C-Ⅱ/C-Ⅲ 万古霉素
vanR-Cd 106 70.2 Clade 1/2/4/C-Ⅰ/C-Ⅱ/C-Ⅲ/C-IV 万古霉素
vanS-Cd 105 69.5 Clade 1/2/4/C-Ⅰ/C-Ⅱ/C-Ⅲ 万古霉素
vanT-Cd 106 70.2 Clade 1/2/4/C-Ⅰ/C-Ⅱ/C-Ⅲ 万古霉素
vanZ1 117 77.5 Clade 1/2/3/4/5/C-Ⅰ/C-Ⅱ/C-Ⅲ/C-Ⅳ 万古霉素
图2 携带不同tcdA/tcdB毒力基因的艰难梭菌基因组ST型的时间分布
表4 携带不同类型tcdA/tcdB毒力基因的艰难梭菌基因组151个分子分型的分布
tcdA/tcdB毒力基因类型 分子分型数量 比例（%） 进化枝
tcdA+tcdB+ 87 57.6 Clade 1/2/3/4/5
tcdA+tcdB- 3 2.0 Clade 2
tcdA-tcdB+ 19 12.6 Clade 1/2/5/C-Ⅰ/C-Ⅱ/C-Ⅲ/C-Ⅳ
tcdA-tcdB- 42 27.8 Clade 1/2/4/C-Ⅰ/C-Ⅱ
合计 151 100.0 -
表5 携带不同类型毒素基因座的艰难梭菌基因组151个分子分型的分布
毒素基因座类型 分子分型数量 比例（%） 进化枝
PaLoc+CdtLoc+ 40 26.5 Clade 2/3/5
PaLoc-CdtLoc+ 1 0.7 Clade 2
PaLoc+CdtLoc- 69 45.7 Clade 1/2/4/C-Ⅰ/C-Ⅱ/C-Ⅲ/C-Ⅳ
PaLoc-CdtLoc- 41 27.2 Clade 1/4/C-Ⅰ/C-Ⅱ
合计 151 100.0  
图3 艰难梭菌不同进化谱系核心基因组的COG功能比例分布
表6 艰难梭菌不同进化谱系核心基因组的COG功能分布
COG功能分类 Clade 1 Clade 2 Clade 3 Clade 4 Clade 5 Clade-C
C：能量产生与转换 172 170 170 176 171 174
D：细胞周期调控，细胞及染色体分裂 23 21 21 24 23 22
E：氨基酸运输与代谢 247 246 251 245 227 240
F：核苷酸运输和代谢 73 72 72 73 73 72
G：碳水化合物运输和代谢 246 254 240 264 243 195
H：辅酶运输和代谢 87 86 84 89 87 91
I：脂质运输和代谢 51 53 52 51 53 50
J：核糖体结构及翻译 140 140 137 144 143 142
K：转录 286 274 276 307 285 253
L：复制、重组和修复 116 107 126 114 113 104
M：细胞壁/膜的生成 128 129 122 128 126 109
N：细胞运动性 53 53 51 47 28 45
O：蛋白修饰 67 68 69 69 71 65
P：无机离子的转运与代谢 124 126 125 130 127 130
Q：次生代谢物的生物合成、运输和分解代谢 27 26 25 22 22 26
R：常规功能预测 269 266 255 271 259 244
S：功能未知 866 877 936 973 881 721
T：信号转导机制 148 151 145 152 144 125
U：细胞内运输，分泌和囊泡运输 13 12 12 13 13 13
V：防御机制 88 95 84 105 93 89
合计 3 224 3 226 3 253 3 397 3 182 2 910
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